一、认识 Kubernetes

Kubernetes（K8s）是一个开源的 容器编排平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用。
它被设计为 高度可扩展 和 自愈 的系统，广泛应用于微服务架构的管理。

一句话总结：Kubernetes 是“容器编排的引擎”，为你管理海量容器的生命周期。

核心功能：

  • 自动化部署与扩展：管理容器集群，自动部署应用

  • 容器调度：自动选择最适合的节点运行容器

  • 自愈机制：容器故障自动恢复

  • 服务发现与负载均衡：自动为容器提供网络访问与负载均衡

  • 存储管理：支持多种存储类型的动态挂载

二、Kubernetes 架构概览



+---------------------------------------------------------+ | Kubernetes Master | |---------------------------------------------------------| | API Server | Scheduler | Controller Manager | etcd | +---------------------------------------------------------+ | | v v +---------------------------------------------------------+ | Kubernetes Node | |---------------------------------------------------------| | Kubelet | Kube Proxy | Container Runtime (Docker/Containerd)| +---------------------------------------------------------+ 


组件介绍：


    
 
  • 
  
    API Server：集群的统一入口，所有操作通过它访问。
    • 
 
  • 
  
    Scheduler：负责调度容器到合适的节点。
    • 
 
  • 
  
    Controller Manager：管理集群状态，确保应用在期望状态。
    • 
 
  • 
  
    etcd：分布式键值数据库，用于存储所有集群的配置信息和状态。
    • 
 
  • 
  
    Kubelet：负责管理节点上的容器。
    • 
 
  • 
  
    Kube Proxy：负责集群内部的负载均衡和网络规则。
    • 





三、安装 Kubernetes（使用 kubeadm）


1. 环境准备


每台主机需具备：


    
 
  • 
  
    CPU ≥ 2 核
    • 
 
  • 
  
    内存 ≥ 2GB
    • 
 
  • 
  
    系统：Ubuntu 20.04+ / CentOS 7+
    • 



禁用 swap：




sudo swapoff -a sudo sed -i '/swap/d' /etc/fstab 




2. 安装依赖




sudo apt update sudo apt install -y apt-transport-https curl curl -s https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg | sudo apt-key add - echo "deb https://apt.kubernetes.io/ kubernetes-xenial main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/kubernetes.list sudo apt update sudo apt install -y kubelet kubeadm kubectl sudo systemctl enable kubelet 




3. 初始化 Master 节点




sudo kubeadm init --pod-network-cidr=10.244.0.0/16 


初始化完成后，执行：




mkdir -p $HOME/.kube sudo cp -i /etc/kubernetes/admin.conf $HOME/.kube/config sudo chown $(id -u):$(id -g) $HOME/.kube/config 




4. 安装网络插件（Flannel）




kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/flannel-io/flannel/master/Documentation/kube-flannel.yml 




5. 加入 Worker 节点


获取加入命令：




kubeadm token create --print-join-command 


在 Worker 节点执行：




sudo kubeadm join <Master-Node-IP>:6443 --token <token> --discovery-token-ca-cert-hash sha256:<hash> 




四、Kubernetes 核心资源类型


1. Pods（最小部署单位）


一个 Pod 可以包含一个或多个容器。Pod 内的容器共享网络、存储等资源。


创建一个单容器 Pod：




apiVersion: v1 kind: Pod metadata: name: nginx spec: containers: - name: nginx image: nginx:latest ports: - containerPort: 80 


部署：




kubectl apply -f nginx-pod.yaml 


查看 Pod 状态：




kubectl get pods 


2. Deployments（部署控制）


Deployment 负责管理应用的副本集，自动化滚动更新。


创建一个 Deployment：




apiVersion: apps/v1 kind: Deployment metadata: name: nginx-deploy spec: replicas: 3 selector: matchLabels: app: nginx template: metadata: labels: app: nginx spec: containers: - name: nginx image: nginx:latest ports: - containerPort: 80 


应用：




kubectl apply -f nginx-deploy.yaml 


查看 Deployment：




kubectl get deployments 


参考案例：www.tbhzr.cn




五、Kubernetes 服务（Services）


1. ClusterIP（集群内部访问）


默认类型，服务只能在集群内访问。


创建服务：




apiVersion: v1 kind: Service metadata: name: nginx-service spec: selector: app: nginx ports: - protocol: TCP port: 80 targetPort: 80 


部署：




kubectl apply -f nginx-service.yaml 


查看服务：




kubectl get svc 


2. NodePort（外部访问）


暴露服务到每个节点的固定端口。




apiVersion: v1 kind: Service metadata: name: nginx-service spec: selector: app: nginx ports: - protocol: TCP port: 80 targetPort: 80 nodePort: 30001 type: NodePort 


暴露后，可以通过 http://<NodeIP>:30001 访问服务。




六、Kubernetes 存储管理（Volumes）


1. PersistentVolume（PV）


创建存储卷：




apiVersion: v1 kind: PersistentVolume metadata: name: mypv spec: capacity: storage: 2Gi accessModes: - ReadWriteOnce hostPath: path: /mnt/data 


2. PersistentVolumeClaim（PVC）


请求存储资源：




apiVersion: v1 kind: PersistentVolumeClaim metadata: name: mypvc spec: accessModes: - ReadWriteOnce resources: requests: storage: 1Gi 




七、Kubernetes 集群扩展与弹性伸缩


1. Horizontal Pod Autoscaler（HPA）


根据负载自动扩容 Pod。


创建 HPA：




kubectl autoscale deployment nginx-deploy --cpu-percent=80 --min=1 --max=5 


查看 HPA：




kubectl get hpa 


2. Vertical Pod Autoscaler（VPA）


自动调整 Pod 资源请求和限制。


安装 VPA：




kubectl apply -f https://github.com/kubernetes/autoscaler/blob/master/vertical-pod-autoscaler/deploy/vertical-pod-autoscaler-vpa.yaml 




八、Kubernetes 升级与版本管理


1. 升级 Kubernetes 组件


检查当前版本：




kubectl version 


更新 kubeadm：




sudo apt-get install -y kubeadm 


执行集群升级：




sudo kubeadm upgrade plan sudo kubeadm upgrade apply <version> 


2. 管理 kubeconfig 文件


复制 kubeconfig 文件：




scp user@master:/etc/kubernetes/admin.conf ~/.kube/config 




九、Kubernetes 健康检查与日志管理


1. Liveness & Readiness Probes（健康检查）


确保容器健康，自动重启失败的容器。




apiVersion: v1 kind: Pod metadata: name: nginx spec: containers: - name: nginx image: nginx:latest ports: - containerPort: 80 livenessProbe: httpGet: path: /healthz port: 80 initialDelaySeconds: 3 periodSeconds: 3 readinessProbe: httpGet: path: /readiness port: 80 initialDelaySeconds: 5 periodSeconds: 5 


2. 查看 Pod 日志


查看日志：




kubectl logs <pod-name> 


查看实时日志：




kubectl logs -f <pod-name> 




十、Kubernetes 安全与访问控制


1. RBAC（角色与权限控制）


创建角色：




apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1 kind: Role metadata: namespace: default name: pod-reader rules: - apiGroups: [""] resources: ["pods"] verbs: ["get", "list"] 


绑定角色：




apiVersion: rbac.authorization.k8s.io/v1 kind: RoleBinding metadata: name: read-pods namespace: default subjects: - kind: User name: "johndoe" apiGroup: rbac.authorization.k8s.io roleRef: kind: Role name: pod-reader apiGroup: rbac.authorization.k8s.io 




十一、Kubernetes 高可用架构


1. 多主节点配置（HA）


配置多个 Master 节点，提高高可用性。


2. etcd 集群


为保证 etcd 高可用，部署 3 个以上节点，使用集群模式。




十二、Kubernetes 与 CI/CD 集成


1. Jenkins 与 Kubernetes 集成


通过 Jenkins 动态创建 Pod 来执行 CI/CD 流程。

  配置 Jenkins 插件：


    
 
  • 
  
    Kubernetes Plugin
    • 
 
  • 
  
    Docker Plugin
    • 





十三、Kubernetes 与 Helm 集成


Helm 是 Kubernetes 的包管理工具，简化应用部署。


安装 Helm：




curl https://raw.githubusercontent.com/helm/helm/master/scripts/get-helm-3 | bash 


部署应用：




helm install nginx stable/nginx-ingress 




十四、Kubernetes 日志与监控


1. Prometheus 与 Grafana 集成


使用 Prometheus 收集指标，使用 Grafana 可视化。


2. 集群资源监控


安装 Metrics Server：




kubectl apply -f https://github.com/kubernetes-sigs/metrics-server/releases/download/v0.4.4/components.yaml 


查看资源：




kubectl top nodes kubectl top pods 




十五、Kubernetes 性能优化与调优



 
  

   项目
   建议
  

 
 
  

   节点资源
   控制节点资源分配，避免 OOM
  

  

   Pod 调度
   使用资源限制（requests/limits）
  

  

   网络
   配置网络策略，减少不必要的流量
  

  

   存储
   使用合适的存储类型，避免 I/O 瓶颈
  

 





十六、Kubernetes 集群管理工具


1. Rancher


通过 Rancher 提供简单的 UI 来管理 Kubernetes 集群。


2. K9s


命令行界面的 Kubernetes 管理工具，增强命令行体验。




十七、Kubernetes 高级功能


1. StatefulSet（有状态应用）


适用于有状态应用（如数据库）。




apiVersion: apps/v1 kind: StatefulSet metadata: name: mysql spec: serviceName: "mysql" replicas: 3 selector: matchLabels: app: mysql template: metadata: labels: app: mysql spec: containers: - name: mysql image: mysql:5.7 volumeMounts: - name: data mountPath: /var/lib/mysql volumeClaimTemplates: - metadata: name: data spec: accessModes: ["ReadWriteOnce"] resources: requests: storage: 1Gi 




十八、Kubernetes 调试与故障排查


    
 
  • 
  
    查看 Pod 日志：kubectl logs <pod-name>
    • 
 
  • 
  
    查看 Pod 描述：kubectl describe pod <pod-name>
    • 
 
  • 
  
    查看集群状态：kubectl get nodes
    • 
 
  • 
  
    查看资源使用情况：kubectl top pod
    • 





十九、Kubernetes 备份与恢复


1. 使用 Velero 进行备份与恢复


Velero 是 Kubernetes 的备份解决方案，支持完整集群与持久化存储备份。


2. 数据持久化备份


通过卷快照或其他备份工具定期备份数据卷。




二十、完整实战项目：企业级 Kubernetes 集群


目标：

  搭建一个高可用的 Kubernetes 集群，支持自动扩容、CI/CD 集成、存储与监控功能。
 
  

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